Biotinylated
PSi
Detector
LASER
Optic Fiber Optic Fiber
Detector
LASER
Optic Fiber Optic Fiber
Si wafer Teflon etch cell Target Flow
PBS + Biomolcule
Focusing Lens
Change of Signal Biotinylated
PSi
Si wafer Teflon etch cell Target Flow
PBS + Biomolcule
Focusing Lens
Si wafer Teflon etch cell Target Flow
PBS + Biomolcule
Si wafer Teflon etch cell Target Flow
PBS + Biomolcule
Focusing Lens
Change of Signal Biotinylated
PSi
Figure 4. Biomolecule Sensors Based on Different Light Sources.
. Results and Discussion
Ⅲ
다공성 실리콘의 합성 결과 1.
다층 다공성 실리콘의 파장 측정 1-1. DBR
앞에서의 실험을 통해 특정 전류에 대한 다공성도, 식각률 그리고 굴절률 을 실험을 통해 구하였다. 이를 바탕으로 서로 다른 전류로 형성되는 두 층 의 상호 보강, 상쇄간섭으로 하나의 특정 파장만을 반사하게 되는
DBR(Distributed Bragg Reflectors) 다층 다공성 실리콘을 합성하였다. Table 2는 100mA와 250mA의 전류에 대한 다공성과 굴절율, 부식율을 식각조 건을 통해 얻어낸 값이다. 그리고 부식층의 두께는 식 (1)에서 굴절율과의 곱은 반사파장의 1/4값을 갖는 150이 되어야 하기 때문에 두 층은 74.795 nm 와 92.329 nm의 값을 갖게 된다. 두 층이 74.795 nm와 92.329 nm의 두께를 갖기 위해서는 100 mA와 250 mA의 전류가 초당 40.695nm와 202.794nm의 부식 율을 갖기 때문에 각각 1.40초와 0.62초의 부식시간을 주게 된다.
전류 다공성(%) 굴절율 광학두께(nm) 식각율(nm/s) 부식시간 100 27.595 2.8 53.571 74.795 1.40 250 57.394 2.037 149.73 92.329 0.62
Table 2. Etching condition of DBR PSi for 100mA and 250mA.
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
400 500 600 700 800 900 1000
Fresh DBR
Reflectivity
Wavelength(nm)
Si wafer Pt cathode
HF : EtOH
Teflon etch cell
<Etching condition>
Resistance : p++0.8 ~ 0.12mΩ㎝
Solution : HF(aq) : EtOH = 3 : 1 Period : 50 repeats
FWHM : 22nm 0
500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
400 500 600 700 800 900 1000
Fresh DBR
Reflectivity
Wavelength(nm)
Si wafer Pt cathode
HF : EtOH
Teflon etch cell Si wafer
Pt cathode
HF : EtOH
Teflon etch cell
<Etching condition>
Resistance : p++0.8 ~ 0.12mΩ㎝
Solution : HF(aq) : EtOH = 3 : 1 Period : 50 repeats
FWHM : 22nm
Figure 5. Reflectivity of DBR porous silicon.
이러한 조건을 바탕으로 실리콘 웨이퍼에 두 전류를 사용하여 부식조건을 흘려주게 되면 Figure 5과 같이 붉은색을 띠는 617 nm에서 하나의 파장만을 반사하며 유효띠 넓이 22nm를 갖고 있는 DBR 다공성 실리콘을 합성할 수 있 게 된다.
전자주사 현미경 측정
1-2. (FE-SEM)
DBR 다층 다공성 실리콘칩을 합성한 후 광학적 특성이 나타나는 이유를 알 아보기 위해서 다공성 실리콘의 단면을 주사 전자 현미경을 이용해서 측정해 본 결과 표면의 기공 크기는 20-30nm 정도이며(Figure 6-(A)), 이 기공을 이 용하여 54×58×48 Å의 크기를 갖는 streptavidin과 Human IgG의 탐지가 가 능하게 되었다.
Figure 6. SEM image of PSi. (A) Surface of SEM image of DBR PSi. (B) Cross-sectional of SEM image of DBR PSi indicating that the thickness of DBR PSi is about 3.5μm.
식각된 다공성 실리콘의 두께는 3.5 ㎛ 정도 되었다. 두께의 경우는 DBR을 합성 하는 과정에 있어서 더 많은 주기성만 있다면 조절이 가능하다. 그리고 낮은 전류와 높은 전류에 의해서 형성된 층을 확인 할 수 있었다.(Figure 6-(B)).
다공성 실리콘의 바이오칩으로 개발 결과 2.
으로 유도된 다공성 실리콘 개발 결과 2-1. Biotin
합성된 DBR 다공성 실리콘을 바이오 센서로 응용하기 위해 표면을 화학적 으로 유도체화 시키기 위해 scheme 2과 같이 수행하였다.
O O
O
Si N
H O
+ + +
streptavidin Protein -A Human IgG
Oxidation Surface derivatization
Binding biotin
HN NH S
O
H H
O O
F F F F
+ EDC, Et3N
DMF / 24 hrs O O
O Si
NH O
HN NH S
O
H H
O O
O
O Si
O NH2
Oxidation
SiH O +
O
O
SiOH (OMe)3Si NH2
Reflex 80 oC, 20 hrs
O O
O Si
O NH2
O O
O
Si N
H O
Scheme 2. Bio-sensing process.
공기 중이나 수용액 상에서 불안정한 다공성 실리콘의 표면을 열적 산화를 통해 OH의 작용기를 갖도록 변화시켰다. 300 ℃에서 열적 산화된 다공성 실 리콘의 표면은 Si-H에서 Si-OH로 변화된다. DBR 다공성 실리콘 필름이 열적
한화를 하게 되어 얻어진 결과로 반사 스펙트럼이 584nm 로 33nm정도 단파장 으로 이동을 하였는데, 이는 Si에서 SiO2로 변하면서 굴절률의 감소가 일어 났기 때문이다. Si-OH로 표면을 유도체화 시키는 작업은 바이오 분자를 결합 하는데 큰 기여를 하므로 시간에 따른 Si-OH의 표면 유도화 정도를 (Figure 7)에서 확인 할 수 있다.
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2
0 50 100 150 200
v(OSi-H) v(Si-O) v(Si-OH) v(Si-H)